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寧波材料所基于相圖設計新型苛刻海洋環境服役涂層材料

2021-04-21 15:02:21 作者：中科院寧波材料所來源：中科院寧波材料所分享至：

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MCrAlY（M=Fe, Co, Ni等）合金由于其優異的抗氧化和抗腐蝕性能，作為熱障涂層的粘結層材料或單層涂層材料在航空發動機熱端部件中得到了廣泛應用。該類合金優異的抗氧化和抗腐蝕性能主要歸因于在寬溫域范圍內，其表面都能夠形成一層穩定、致密且連續的氧化物保護膜（以Al2O3和Cr2O3為主）。然而，在苛刻海洋環境中，除了潮濕空氣的氧化，發動機部件還會遭到高腐蝕性氯鹽的侵蝕。前期研究表明，Cr2O3在高溫下與NaCl和H2O發生反應，導致連續氧化物保護膜被破壞，從而嚴重縮減發動機壽命。因此，必須為發動機部件開發一種新型高溫腐蝕防護涂層，以滿足高鹽高濕熱苛刻海洋環境服役需求。

近期，中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室選取Si作為Cr的替代元素，開發了新型NiSiAlY材料體系的相圖熱力學數據庫。該數據庫中共有6個二元系、4個三元系，36個二元化合物、40個三元化合物，其中，采用亞點陣模型準確地描述了4個三元化合物的固溶度范圍，計算得到了實驗驗證。針對NiSiAlY材料成分的選取，不同于傳統“試錯法”（需要500個以上實驗），研究人員通過耦合相圖計算CALPHAD、第一性原理和關鍵實驗（3個實驗）的方法，闡述了一種從成分-結構-性能相圖出發設計新材料的研究思路。面向苛刻海洋服役環境，提出了新型NiSiAlY材料體系需在500-1000℃的寬溫域范圍內具有較好的力學性能、良好的耐腐蝕性能、優異的抗氧化性能，基于相圖高效設計了NiSiAlY成分區間，即Si：約1~5 wt.%，Al：約11~20 wt.%，Y：約1 wt.%。綜上，研究工作在熱/動力學基礎理論上構建了NiSiAlY成分-結構-性能關系并詳細闡述了基于相圖設計新材料的過程，為高效研發其他苛刻環境服役材料提供了一種可借鑒思路。

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基于相圖設計NiSiAlY材料的研究思路

相關工作以“Design of novel NiSiAlY alloys in marine salt-spray environment: （Part I. Al-Si-Y and Ni-Si-Y subsystems; Part II. Al-Ni-Si-Y thermodynamic dataset）” 為題在Journal of Materials Science & Technology上發表論文2篇【J. Mater. Sci. Technol. 88 （2021） 66-78；J. Mater. Sci. Technol. 89 （2021）186-198】。論文第一作者為中科院寧波材料所徐凱博士，通訊作者為中科院寧波材料所常可可研究員、王立平研究員，合作作者包括中南大學教授杜勇等。該工作得到了國家自然科學基金（51971235）、浙江省自然科學基金（LQ20E010004）、國家科技重大專項（2017-VII-0012-0107）、寧波市3315創新團隊（2019A-18-C）等的支持。

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